数字隔离器保护RS-232、RS-485和CAN总线

在工业过程控制、电源调节和计算机之间的点对点通信等应用中，串行通信总线通过各种类型的物理网络（如 RS-232、RS-485 和控制器局域网 （CAN））传输数据。每个互连系统通常都有自己的电源，并且系统通常相隔很远，因此通常需要电流隔离来断开接地环路，保护系统免受高压瞬变的影响，减少信号失真，以及人身安全。

隔离

变压器、耦合电容器、光耦合器（以及现在的耦合器）是提供电流隔离的典型方法，可阻止电流在两点之间流动，同时允许数据畅通无阻（图 1）。隔离用于防止由线路浪涌或接地环路引起的高电压或电流，这可能发生在任何具有多个接地路径的系统中。由长电缆隔开的系统接地将不具有相同的电位，因此接地电流将在两个系统之间流动。如果不进行隔离，这种电流可能会引入噪声，降低测量质量，甚至破坏系统组件。

图1.电流隔离允许信息流，但阻止电流流动。

在工业环境中，通过电机的开关、静电放电 （ESD） 或附近的雷击感应耦合到长电缆中的电流会导致接地电位的快速变化，通常高达数百或数千伏。发生这种情况时，远程系统预期的逻辑电平开关信号将叠加在相对于其本地接地的高电压上。如果不进行隔离，该电压可能会破坏信号或损坏系统。将所有连接到总线的设备连接到单个接地将保护系统免受这种破坏性能量的影响，隔离设备将防止接地回路和电涌。

为了完全隔离系统，必须隔离所有信号线和电源。隔离式DC-DC转换器可提供电源隔离，而i耦合器数字隔离器可提供信号隔离。

i耦合器技术

i耦合器隔离器是基于芯片级变压器的磁耦合器（图 2），与光耦合器中使用的 LED 和光电二极管相比。平面变压器使用CMOS金属层，加上放置在钝化顶部的金层。金层下方的高击穿聚酰亚胺层将顶部变压器线圈与底部隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路提供每个变压器与其外部信号之间的接口。晶圆级处理提供了一种在单个封装中集成多个隔离通道以及其他半导体功能的低成本方法。i耦合器技术消除了与光耦合器相关的不确定电流传输比、非线性传递函数和漂移（随时间和温度的变化）;降低高达90%的功耗;并且无需外部驱动器或分立器件。

图2.i耦合器横截面。

变压器初级侧的电路将输入逻辑转换编码为1 ns脉冲，然后通过变压器耦合;副边的电路检测它们并重新创建输入信号，如图3所示。输入侧的刷新电路可确保输出状态与输入状态匹配，即使不存在输入转换也是如此。这在上电情况下以及具有低数据速率或恒定直流输入的输入波形中非常重要。

图3.数字输入在i耦合器的输出端重新创建。

由于i耦合器产品的目的是将输入与输出隔离，因此变压器一侧的电路必须包含在与变压器第二侧电路分开的芯片上。变压器本身可以放置在任一芯片上，也可以放置在第三个芯片上，如图140所示的ADuM4x所示。整个芯片组组装在标准塑料封装中，类似于用于各种半导体器件的封装。

图4.ADuM140x 4通道隔离器结构

i耦合器器件的一个新颖特性是它们能够在同一封装中组合发射和接收通道。i耦合变压器本质上是双向的，因此只要变压器的每一侧都有适当的电路，信号就可以沿任一方向传递。通过这种方式，多通道隔离器具有多种发送/接收通道配置。

串行通信总线

RS-232 （EIA232） 和 RS-485 （EIA/TIA485） 规范仅定义物理层，允许用户定义信号协议，或由指定其在物理层中使用的其他标准定义。另一方面，CAN总线定义物理层和数据链路层。

RS-232：RS-232总线标准是最受欢迎的串行通信总线之一，最初于1962年指定用于计算机和调制解调器之间的通信。仍然被广泛用作系统间通信链路，其简单性、灵活性和长期的成功使用历史是其持续流行的原因。它专为点对点通信而设计，使用两条带有接地参考信号的专用非平衡单端线路提供全双工通信。

数据速率限制为 20 kbps，低压变化时为 64 kbps。最大实际电缆长度受 16-pF 最大负载电容和 2500 kohm 至 3 kohm 负载阻抗的限制在 7 米左右。RS-232为逻辑5提供–15 V至–1 V的驱动器输出电平，逻辑5的驱动器输出电平为+15 V至+0 V，逻辑3的接收器输入电平为–15 V至–1 V，逻辑3的接收器输入电平为+15 V至+0 V。–3 V至+3 V之间的电压未定义。宽电压摆幅和未定义区域确保了高水平的抗噪性，并允许通过长电缆接收有效的信号电平。

RS-232规范定义了具有25条信号线的20引脚D连接器的引脚排列，但具有9条信号线的5引脚连接器（如图232所示）更为常见。每个方向使用一条线进行数据传输;其余线路指定用于通信协议。简单来说，RS-25只需三条线即可实现：Tx（发送数据），Rx（接收数据）和GND（接地）。用于设备安全的保护接地在 <> 针连接器中定义。此线路通常连接到电源接地或机箱接地，不应连接到信号接地或从系统连接到系统。

图5.8 信号 RS-232 网络配置。

RS-232标准将设备分为两类：DCE（数据通信设备）和DTE（数据终端设备）。这些名称是其计算机和调制解调器遗产的遗产;这些术语现在只是定义哪些线路作为输入连接，哪些线路作为输出连接。

RS-232通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。数字隔离器不支持RS-232标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地系统之间使用。收发器的系统侧通常使用0 V至3 V或0 V至5 V逻辑电平连接到通用异步接收器/发射器（UART）或处理器。由于i耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电气隔离，因此可以在UART和收发器之间放置一个，作为将系统与电缆隔离的简单方法。为了完成隔离，使用隔离式DC-DC转换器为隔离器和收发器供电。ADuM1402 i耦合器数字隔离器、ADM232L RS-232收发器和隔离电源（如图6所示）的组合消除了接地环路，并提供了有效的浪涌损坏保护。

图6.5 信号隔离 RS-232 电路（DTE 侧图示）。

RS-485：RS-485标准规定可驱动多达32对驱动器和接收器。它的多功能性和驱动 4000 米电缆的能力使其在广泛的应用中很受欢迎，特别是对于长距离互连系统。小型计算机系统接口（SCSI）和PROFIBUS协议都使用RS-485进行通信。

可用电缆长度取决于数据速度要求，速度/长度组合范围从 200 米处的 1200 kbps 到 12 米处的 100 Mbps。使用平衡差分信号，RS-485驱动器通过两条输出线发送数据。接收器通过比较两个信号来确定逻辑状态;大于200 mV的差值可提供有效的逻辑电平。驱动器和接收器中的差分放大器在信号线之间引导电流。与RS-232等单端方案相比，这提供了高水平的抗噪性。

使能功能允许驱动器进入高阻抗状态;因此，多个驱动程序可以共享一条总线而不会发生争用。软件协议定义了总线仲裁程序，使除一个驱动程序之外的所有驱动程序始终处于非活动状态，并允许多达 32 个驱动程序共享线路。半双工、2线双向配置如图7所示。每个节点包含一个驱动器和接收器，所有驱动器和接收器共享同一根 2 线双绞线电缆。虽然这简化了安装并降低了成本，但它限制了最大吞吐率。4线全双工配置（使用一个节点作为主节点，其余节点作为从节点）更复杂，但提供更高的数据速率。

图7.2线、多点、半双工RS-485网络。

由于RS-485通常用于连接多个系统，因此每个系统和总线之间的隔离至关重要。与RS-232一样，数字隔离器不支持RS-485标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;相反，它们在收发器和本地系统之间使用。收发器的系统端通常连接到本地总线或处理器。由于i耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电气隔离，因此在处理器和收发器之间插入一个是将系统与电缆隔离的简单方法。为了完成隔离，使用隔离式DC-DC转换器为隔离器和收发器供电。ADuM1301 i耦合器数字隔离器和图8所示的隔离电源的组合消除了接地环路，并提供了有效的浪涌损坏保护。

图8.隔离式RS-485电路。

图9所示为单芯片隔离式RS-2486收发器ADM485。

图9.ADM2486隔离式RS-485收发器。

CAN总线：CAN总线标准最初是为汽车应用开发的，规定了2线串行通信协议，允许高达1 Mbps的数据速率，多达30个节点和40米的最大电缆长度。它在帧中传输异步数据，帧由开始位和停止位、仲裁字段、控制字段、循环冗余校验 （CRC） 字段和应答字段组成。每个节点都可以同时侦听和传输，因此该协议最重要的功能之一是其非破坏性位仲裁，可确保不会丢失任何数据。每个节点在每条消息的开头传输一个主导消息开始 （SOM） 位。其他节点将看到此活动，并且在消息完成之前不会尝试启动传输。接下来，传输 11 位或 29 位仲裁字段。此字段也称为标识符，用于确定总线上发送的消息的优先级。优先级最高的节点始终控制总线，而将优先级较低的节点留待等待。这种非破坏性仲裁可确保最高优先级的消息始终通过。

CAN总线如图10所示，使用平衡的2线差分接口，通常工作在3 V或5 V。 采用非归零（NRZ）编码，确保紧凑的消息具有最少的转换次数和高抗噪性。CAN总线收发器使用一对漏极开路器件产生CANH差分信号（V抄送– 0.9 V） 至 CANL （1.5 V）。当驱动时，发射器产生主导信号，这表示逻辑低电平。当没有驱动发射器时，上拉电阻将总线设置为V抄送/2，产生隐性信号，表示逻辑高电平。待机控制将收发器置于低功耗模式。低功耗接收器在待机模式下保持活动状态，监控总线的状态变化，并在检测到活动时向控制器发出激活本地节点的信号。

图 10.CAN总线网络。

与RS-232和RS-485一样，数字隔离器不支持CAN总线标准，因此不能在收发器和电缆之间使用;而是使用标准 3V 或 5V 逻辑电平在收发器和本地 CAN 控制器之间使用它们。由于i耦合器隔离器的输入和输出电路彼此电气隔离，因此将系统与电缆隔离的一种简单方法是在处理器和收发器之间插入一个。为了完成隔离，使用隔离式DC-DC转换器为隔离器和收发器供电。i耦合器数字隔离器和隔离电源的组合（如图11所示）消除了接地环路，并提供了有效的浪涌损坏保护。

图 11.隔离的CAN总线网络。

更多关于i耦合器

基于i耦合器技术的数字隔离器在集成度、性能、功耗、易用性和可靠性方面可与光耦合器相媲美。我耦合器器件是独立的，除了通常的旁路电容器外，不需要额外的组件;它们通常更快，具有更高的数据速率（至 100 Mbps）和更短的传播延迟（18 ns）;其功耗（从5 mW @ 1 Mbps到22 mW @ 25 Mbps）是同类光耦合器的1/70至1/5，相邻元件的发热可以忽略不计;它们可以以与标准数字CMOS相同的方式使用;它们可以在更高的温度下工作——传播延迟基本上对温度不敏感;而且它们的使用寿命更长，没有 LED 磨损。它们具有与高质量光耦合器类似的安全认证。目前可用的i耦合器器件的绝缘额定值为2.5 kV rms（400 V rms稳态），未来改进的前景优于50%。

全面披露

由于模拟对话不是食谱，这些示例基本上说明了如何在网络通信中使用耦合器技术;它们不是经过测试的应用程序的详细原理图。

审核编辑：郭婷